基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的3D打印輔助系統(tǒng)研究

林木 丁雨 單麗君

摘要：簡(jiǎn)要介紹了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)及AR+3D打印技術(shù)的應(yīng)用情況，闡述了基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的3D打印輔助系統(tǒng)的構(gòu)建和實(shí)現(xiàn)過程。該系統(tǒng)利用Unity3D引擎，以3D打印模型為研究對(duì)象，將3D打印技術(shù)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了虛擬和真實(shí)環(huán)境的融合顯示。系統(tǒng)發(fā)布于PC端并應(yīng)用于3D打印工作和機(jī)械結(jié)構(gòu)教學(xué)中，對(duì)于促進(jìn)機(jī)械行業(yè)的智能化發(fā)展具有重要意義。

關(guān)鍵詞：增強(qiáng)現(xiàn)實(shí);3D打印;Unity3D引擎;仿真教學(xué)

0 引言

近年來隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，3D打印技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域日益擴(kuò)大。同時(shí)，3D打印技術(shù)不斷改進(jìn)，操作簡(jiǎn)便，使許多制造商開始將人工智能技術(shù)與3D打印機(jī)結(jié)合使用，可以大大縮短整個(gè)工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)周期。

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）是虛擬現(xiàn)實(shí)研究的重要分支，它是隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展和成熟而產(chǎn)生的，因此兩者之間有著密不可分的關(guān)系?；旌犀F(xiàn)實(shí)是指將現(xiàn)實(shí)環(huán)境和虛擬環(huán)境按一定比例混合。通常虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)通過構(gòu)建封閉的沉浸式環(huán)境，將用戶帶入計(jì)算機(jī)生成的虛擬世界，而增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)則相反，它試圖將計(jì)算機(jī)生成的虛擬信息插入用戶的實(shí)際工作環(huán)境中。

1 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)及AR+3D打印技術(shù)的應(yīng)用

1.1? ? 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)是近年來學(xué)術(shù)界的研究熱點(diǎn)，是虛擬現(xiàn)實(shí)的重要分支。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)通過將計(jì)算機(jī)生成的虛擬圖像實(shí)時(shí)疊加到真實(shí)環(huán)境中，獲得了與傳統(tǒng)沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)完全不同的視覺效果。

與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)相比，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)利用了多傳感器技術(shù)、人機(jī)交互技術(shù)、計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)和立體顯示技術(shù)，從而可以將用戶周圍的真實(shí)環(huán)境與計(jì)算機(jī)生成的虛擬環(huán)境整合在一起。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)通過可視化技術(shù)生成真實(shí)環(huán)境中不存在的虛擬對(duì)象，然后通過傳感技術(shù)將虛擬對(duì)象添加到增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中，然后將虛擬對(duì)象和真實(shí)環(huán)境集成到立體顯示設(shè)備中，最后將一種貼近真實(shí)感官效果的新環(huán)境呈現(xiàn)在用戶眼前。

1.2? ? AR+3D打印技術(shù)

美國康奈爾大學(xué)已經(jīng)開發(fā)了3D打印+AR技術(shù)，通過AR視覺來控制3D打印的模型生成，從而節(jié)省了企業(yè)的生產(chǎn)成本。

利用3D打印+AR技術(shù)，我國成功完成了首例高科技骨科手術(shù)。該手術(shù)使用AR技術(shù)檢查患者身體的病變部位，然后將患者的檢查圖像數(shù)據(jù)導(dǎo)入計(jì)算機(jī)中生成詳細(xì)的病變部位3D模型，最后由3D打印技術(shù)打印出人體組織。在手術(shù)中使用3D打印+AR技術(shù)，有助于醫(yī)生進(jìn)行準(zhǔn)確的手術(shù)規(guī)劃，從而大大提高手術(shù)的成功率和安全性，并且3D打印機(jī)打印出來的人體組織模型更適合患者。

3D打印+AR技術(shù)是未來3D打印技術(shù)的重要發(fā)展方向。AR和3D打印技術(shù)的強(qiáng)強(qiáng)結(jié)合，可以縮短打印時(shí)間，提高打印效率，從而節(jié)省企業(yè)生產(chǎn)成本。

2 基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的3D打印輔助系統(tǒng)構(gòu)建

利用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，將3D打印的虛擬幾何模型投影到真實(shí)環(huán)境中的正確位置，并與真實(shí)打印區(qū)域?qū)R，以實(shí)現(xiàn)虛擬和真實(shí)對(duì)象的融合顯示。虛擬現(xiàn)實(shí)融合系統(tǒng)按從上到下、從左到右的順序遍歷層次樹模型中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)，渲染并生成虛擬和真實(shí)的融合場(chǎng)景。

基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的3D打印輔助系統(tǒng)工作原理：由攝像機(jī)收集3D打印工作場(chǎng)景的視頻流信號(hào)，并通過對(duì)3D打印工作場(chǎng)景進(jìn)行解碼來獲得真實(shí)3D打印場(chǎng)景的輸入圖像、視頻流，從計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)獲得增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)所需的虛擬對(duì)象模型和相關(guān)信息，并通過該軟件讀取3D打印模型的信息。

3 基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的3D打印輔助系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)過程中用到了Unity3D引擎及其AR Foundation插件。ARFoundation是Unity3D引擎構(gòu)建的一個(gè)AR開發(fā)平臺(tái)。2017年，Apple公司與Google公司相繼推出了各自的AR開發(fā)SDK工具包ARKit和ARCore，分別對(duì)應(yīng)iOS平臺(tái)與Android平臺(tái)的AR開發(fā)。ARKit和ARCore推出后，極大地促進(jìn)了AR在移動(dòng)端的普及發(fā)展，將AR從實(shí)驗(yàn)室?guī)氲狡胀ㄏM(fèi)場(chǎng)景中。由于當(dāng)前的移動(dòng)手機(jī)操作系統(tǒng)主要由iOS與Android兩大系統(tǒng)統(tǒng)治，ARKit和ARCore分別服務(wù)于各自的系統(tǒng)平臺(tái)，這意味著軟件生廠商要開發(fā)一套移動(dòng)AR應(yīng)用就必須使用ARKit開發(fā)一個(gè)iOS版本，使用ARCore開發(fā)一個(gè)Android版本，這無疑增加了開發(fā)時(shí)間與成本。

ARCore提供了Android、Android NDK、Unity、Unreal開發(fā)包，ARKit官方只提供了Xcode開發(fā)包，這也提高了利用其他工具進(jìn)行開發(fā)的開發(fā)者的學(xué)習(xí)成本。在這種情況下，Unity3D構(gòu)建了一個(gè)AR開發(fā)平臺(tái)，這就是ARFoundation，這個(gè)平臺(tái)架構(gòu)于ARKit和ARCore之上，其目的就是利用Unity3D的跨平臺(tái)能力，構(gòu)建一種與平臺(tái)無關(guān)的AR開發(fā)環(huán)境，換句話說，ARFoundation對(duì)ARKit與ARCore進(jìn)行了再次封裝，并按照用戶的發(fā)布平臺(tái)自動(dòng)選擇合適的底層SDK版本。

開發(fā)人員借助AR Foundation，可以在Unity3D中以多平臺(tái)的方式開發(fā)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)。該軟件包提供了一個(gè)供Unity3D開發(fā)人員使用的界面，但本身并未實(shí)現(xiàn)任何AR功能。要在目標(biāo)設(shè)備上使用AR Foundation，還需要添加針對(duì)該平臺(tái)的軟件包，例如iOS平臺(tái)的ARKit XR Plugin或Android平臺(tái)的ARCore XR Plugin。

系統(tǒng)中各個(gè)組件的功能：

3.1? ? AR Session

每個(gè)AR場(chǎng)景應(yīng)包含一個(gè)AR Session組件來管理全局，AR Session可以附加在任何的GameObject上，并通過在目標(biāo)平臺(tái)上啟用或禁用AR來控制其生命周期。

如果啟用“Attempt Update”選項(xiàng)，則設(shè)備將嘗試更新AR軟件，但此功能的支持與否取決于平臺(tái)類型。

3.2? ? AR Session Origin

AR Session Origin的目的是將可跟蹤特征轉(zhuǎn)換為Unity3D場(chǎng)景中的位置、方向和比例。AR設(shè)備通過在“session space”中提供其數(shù)據(jù)，并由AR Session Origin轉(zhuǎn)換到Unity3D空間。AR Session Origin還可以縮放虛擬內(nèi)容并將偏移量應(yīng)用于AR相機(jī)。

4 結(jié)語

借助基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的3D打印輔助系統(tǒng)，我們可以最終將3D打印場(chǎng)景與虛擬模型實(shí)時(shí)融合，以形成虛擬與真實(shí)環(huán)境相融合的3D打印工作環(huán)境。通過Unity3D引擎發(fā)布應(yīng)用程序，將基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的3D打印輔助系統(tǒng)應(yīng)用于3D打印工作和課程教學(xué)中。

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收稿日期：2020-07-06

作者簡(jiǎn)介：林木（1985—），男，遼寧丹東人，碩士，博士研究生，講師，研究方向：機(jī)械現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法、機(jī)械CAD/CAE等。